Aus welchem Material sind Visionen?

Innovationen entstehen, wenn sich verschiedene Perspektiven zu einer neuen Vision vereinen. Die Vielfalt der Dresdner Materialforschung schafft hierfür einen einzigartigen Raum, um gemeinsame Ideen zu entwickeln. Denn in Dresden arbeiten mehr als 3000 Wissenschaftler*innen aus Grundlagen- und Angewandter Forschung an allen relevanten Werkstoffklassen von Metallen, Polymeren, Keramiken, Verbundwerkstoffen bis zu Halbleitern und nanostrukturierten Materialien.

Verständnis auf molekularer und atomarer Ebene ist die Grundvoraussetzung für Materialien für die Welt von morgen. Die Forscher*innen können dann Effekte auf der atomaren und Nanoebene gezielt makroskopisch als Material nutzbar machen. Gemeinsam mit den angewandten Forschungsinstituten werden daraus Technologien entwickelt. Sie überführen vielversprechende Resultate in wirtschaftlich tragfähige Anwendungen, die unseren Alltag prägen und prägen werden.

Unsere gemeinsamen Visionen einer sicheren Versorgung mit Wasser, Lebensmitteln und Energie, von Innovationen für Medizin und Medizintechnik oder neuen Konzepten für Mobilität und Wohnraum lassen sich mit innovativen Materialien verwirklichen. Hierzu ein paar ausgewählte Projekt der MFD-Mitglieder:

Quantenmaterialien

Material lässt Wissen wachsen: Wir bauen neue Materialien, Atom für Atom.


Woraus besteht das Handy von übermorgen?

Forscher des Exzellenzclusters „Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien – ct.qmat“ dringen zu den chemisch-physikalischen Eigenschaften neuer Quantenmaterialien vor. Quantenmaterialien weisen unter extremen Bedingungen wie ultratiefen Temperaturen, hohem Druck oder starken Magnetfeldern überraschende Phänomene beispielsweise eine veränderte Leitfähigkeit auf. Wenn es gelingt, diese Phänomene unter Alltagsbedingungen nutzbar zu machen, könnten Quantenmaterialien Handy-Bauteile ermöglichen, die den Energieverbrauch deutlich senken, die Speicherkapazität erhöhen und völlig neue Funktionen gestatten.

Labor mit Molekularstrahl-Epitaxie-Anlage zur Herstellung von Quantenmaterialien.
©Jasper Molenkamp

Physik-Labor mit Molekularstrahl-Epitaxie-Anlage zur Herstellung von Quantenmaterialien.

Kristalle des Materials MnBi2Te4, eines antiferromagnetischen topologischen Isolators.
©Anna Isaeva

Kristalle des Materials MnBi2Te4, eines antiferromagnetischen topologischen Isolators.

Quantenmaterialien wie MnBi2Te4 können am Computer Atom für Atom entworfen und auch so synthetisiert werden.
©Thorsten Feichtner

Quantenmaterialien wie MnBi2Te4 können am Computer Atom für Atom entworfen und auch so synthetisiert werden.

Additive Fertigung

Unsere Materialien lassen Bauteile wachsen.


Kann man mit Licht ein Flugzeug bauen?

Die nächste Generation von Triebwerkskomponenten wird durch additive Fertigungsverfahren effizienter und leistungsfähiger. Mit Elektronenstrahlen, Laser- oder UV-Licht werden Metalle und Hochleistungskeramiken Schicht für Schicht energie- und rohstoffeffizient zu einem Bauteil aufgebaut. Auch für die Medizin und Medizintechnik, die Elektronik oder das Bauwesen entwickeln Wissenschaftler*innen neue Verfahren, um programmierbare Materialien (Schlagwort: 4D-Printing) oder künstliche Organe zu drucken. Das Netzwerk aus Forschung und Industrie am Standort Dresden ist das europaweit größte Cluster für Additive Fertigung.

Stents sind kleine Röhren, die in der Medizin als Gefäßstützen eingesetzt werden. Zukünftig könnten diese Stents aus bioabsorbierbaren Metallen gefertigt werden. Bestimmte Eisen-Mangan-Verbindungen zersetzen sich nach und nach in nicht-toxische Bestandteile und müssten so nicht entfernt werden. Erste Prototypen wurden am IFW Dresden in Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum durch selektives Laserschmelzen gefertigt.
©Leibniz IFW Dresden


Stents aus bioabsorbierbaren Metallen

Stents sind kleine Röhren, die in der Medizin als Gefäßstützen eingesetzt werden. Zukünftig könnten diese Stents aus bioabsorbierbaren Metallen gefertigt werden. Bestimmte Eisen-Mangan-Verbindungen zersetzen sich nach und nach in nicht-toxische Bestandteile und müssten so nicht entfernt werden. Erste Prototypen wurden am IFW Dresden in Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum durch selektives Laserschmelzen gefertigt.

Microlauncher sind eine Alternative zu Trägerraketen. Die mittelgroßen Transportsysteme können Lasten bis 350 Kilogramm befördern. Künftig sollen sie kleine Satelliten in den Weltraum bringen. Das Dresdner Fraunhofer IWS entwickelte mit Raumfahrtexpert*innen der TU Dresden ein additiv gefertigtes Raketentriebwerk mit Aerospike-Düse. Der skalierte Prototyp aus Metall verbraucht 30 Prozent weniger Treibstoff als konventionelle Triebwerke.
©Fraunhofer IWS


AEROspike-Düse

Microlauncher sind eine Alternative zu Trägerraketen. Die mittelgroßen Transportsysteme können Lasten bis 350 Kilogramm befördern. Künftig sollen sie kleine Satelliten in den Weltraum bringen. Das Dresdner Fraunhofer IWS entwickelte mit Raumfahrtexpert*innen der TU Dresden ein additiv gefertigtes Raketentriebwerk mit Aerospike-Düse. Der skalierte Prototyp aus Metall verbraucht 30 Prozent weniger Treibstoff als konventionelle Triebwerke

Petrischalen mit 3D-gedruckten Algenzellen.
©TU Dresden


Green Bioprinting

Der 3D-Druck von lebenden Zellen – Bioprinting – gilt als revolutionäre Technologie und vielversprechender Therapieansatz bei defekten Körperfunktionen wie Diabetes Typ I. Dresdner Wissenschaftler*innen der TU Dresden und des Universitätsklinikum Dresden sind weltweit die ersten, die Algen gemeinsam mit Säugerzellen drucken. So werden die Zellen mit lebenswichtigem Sauerstoff versorgt. Irgendwann ersetzen die Bioprints kranke Organe.

Keramische Mikromischer: In pharmazeutischen und chemischen Anwendungen müssen Ausgangsprodukte teilweise sehr schnell zusammengeführt werden, um gezielt zu wirken. Dafür hat das Fraunhofer IKTS einen Mikromischer entwickelt, der auf einer optimierten Strömungsführung basiert und mit zusätzlichen Heizern oder Sensoren versehen werden kann.
©Fraunhofer IKTS


Keramische Mikromischer

In pharmazeutischen und chemischen Anwendungen müssen Ausgangsprodukte teilweise sehr schnell zusammengeführt werden, um gezielt zu wirken. Dafür hat das Fraunhofer IKTS einen Mikromischer entwickelt, der auf einer optimierten Strömungsführung basiert und mit zusätzlichen Heizern oder Sensoren versehen werden kann.

Das „Main Gear Bracket“ ist ein Schlüssel-Bauteil im Helikoptergetriebe. Im Projekt „GenFly“, gefördert durch das BMWi, wurde seine Topologie durch das Fraunhofer IFAM und die TU Dresden optimiert. Damit ließen sich einzelne Bauteile zu einem Teil zusammenführen und das Gewicht um knapp 40 Prozent reduzieren. Das additive Verfahren Elektronenstrahlschmelzen erwies sich als optimal für die Fertigung.
©Fraunhofer IFAM


Main-Gear-Bracket

Das „Main Gear Bracket“ ist ein Schlüssel-Bauteil im Helikoptergetriebe. Im Projekt „GenFly“, gefördert durch das BMWi, wurde seine Topologie durch das Fraunhofer IFAM und die TU Dresden optimiert. Damit ließen sich einzelne Bauteile zu einem Teil zusammenführen und das Gewicht um knapp 40 Prozent reduzieren. Das additive Verfahren Elektronenstrahlschmelzen erwies sich als optimal für die Fertigung.

Mit additive Fertigungsverfahren können Implantate individuell für Patienten hergestellt und mit zusätzlichen Funktionen versehen werden. Dieses Hüftschaft-Implantat aus Titan erkennt durch integrierte Sensorik und Aktorik mögliche Lockerungen. In Verbindung mit weiteren, nicht an diesem Exponat dargestellten Aktoren, kann das Implantat wieder fest im Knochen verankert werden, was riskante und kostspielige Folgeoperationen vermeidet.
©Fraunhofer IWU, Fraunhofer IKTS


Hüftschaft-Implantat

Mit additive Fertigungsverfahren können Implantate individuell für Patienten hergestellt und mit zusätzlichen Funktionen versehen werden. Dieses Hüftschaft-Implantat aus Titan erkennt durch integrierte Sensorik und Aktorik mögliche Lockerungen. In Verbindung mit weiteren, nicht an diesem Exponat dargestellten Aktoren, kann das Implantat wieder fest im Knochen verankert werden, was riskante und kostspielige Folgeoperationen vermeidet.

Nachhaltige Materialien

Unsere Werkstoffe wachsen in der Natur.


Mit neuesten Technologien nehmen Naturmaterialien zukünftig viele Funktionen an. Dresdner Forscher entwickeln hochsteife und feste Holzstrukturen, die in Fahrrädern oder komplexen Maschinen wie Stahl oder Aluminium eingesetzt werden können. Lignin – der Klebstoff der Natur – ist ein Ausgangsstoff für nachhaltige Kunststoffe und für Hochleistungs-Carbonfasern. Reste aus der Landwirtschaft finden ein neues Leben als Blumentopf. Selbst Verbundkeramiken können aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen. Die Enzymtechnik ermöglicht maßgeschneiderte, hochkomplexe Funktionswerkstoffe, die ebenso nachhaltig wie wirtschaftlich sind.

Hochleistungs-Carbonfaser aus Holzabfällen: Lignin stabilisiert die Stämme der Bäume. Bei der Papierherstellung fallen weltweit jährlich 50 Millionen Tonnen Lignin ungenutzt ab. Forscher*innen der TU Dresden untersuchen die Eignung von Lignin als Ausgangsmaterial für Hochleistungs-Carbonfasern. Dafür müssen sich die Kettenmoleküle des Lignins bevorzugt in länglichen Strukturen anordnen. Das Forscherteam ist zuversichtlich, dass der nachwachsende Rohstoff Lignin Erdöl ersetzen wird.
©TU Dresden, ILK


Hochleistungs-Carbonfaser aus Holzabfällen

Lignin stabilisiert die Stämme der Bäume. Bei der Papierherstellung fallen weltweit jährlich 50 Millionen Tonnen Lignin ungenutzt ab. Forscher*innen der TU Dresden untersuchen die Eignung von Lignin als Ausgangsmaterial für Hochleistungs-Carbonfasern. Dafür müssen sich die Kettenmoleküle des Lignins bevorzugt in länglichen Strukturen anordnen. Das Forscherteam ist zuversichtlich, dass der nachwachsende Rohstoff Lignin Erdöl ersetzen wird.

Gärproduktpapier - Fasermaterial aus landwirtschaftlichen Reststoffen.
©Fraunhofer IKTS


Fasermaterial aus landwirtschaftlichen Reststoffen

In Deutschland werden jährlich drei Milliarden Pflanztöpfe aus erdölbasierten Kunststoffen verwendet. Ein Konsortium um das Fraunhofer IKTS und die Papiertechnische Stiftung Heidenau entwickelt keramisch basierte Verfahren, um ungenutztes Fasermaterial aus der Landwirtschaft zu reinigen und als biobasierte Alternative für Pflanztöpfe zu nutzen – ressourcensparend und biologisch abbaubar.

Das AidBoard sichert im Katastrophenfall hygienische Standards und kann nach komplett CO2-neutral recycelt werden. Das hilft Mensch und Umwelt.
Foto ©TU Dresden: Das AidBoard sichert im Katastrophenfall hygienische Standards und kann nach komplett CO2-neutral recycelt werden. Das hilft Mensch und Umwelt.


Altpapier für die Katastrophenhilfe

Wellpappe ist günstig, leicht und wird zu 100 Prozent aus Altpapier und Zellstoff hergestellt. Dresdner Wissenschaftler der TU Dresden und der Papiertechnischen Stiftung Heidenau forschten vier Jahre daran, daraus das erste ökologische Feldbett für humanitäre Notkrankenhäuser zu konstruieren. Das AidBoard sichert im Katastrophenfall hygienische Standards und kann nach komplett CO2-neutral recycelt werden. Das hilft Mensch und Umwelt.

Smarte Oberflächen

Unsere Werkstoffeigenschaften wachsen vom Kleinen ins Große.


Bestimmte Werkstoffe zeigen auf Mikro- und Nano-Ebene erstaunliche Effekte. Sie lassen sich nutzen, um Produkte auf Makro-Ebene mit ganz neuen Funktionen zu versehen. Durch eine gezielte Veränderung der Oberfläche können Materialien beispielsweise Wasser und Eis abweisen oder sich selbst reinigen. Dresdner Forscher entwickeln beispielsweise Mikrostrukturen, um Tragflächen von Flugzeugen frei von Eis zu halten. Bestimmte keramische Oberflächen sind in der Lage, mithilfe des UV-Anteils im Sonnenlicht Mikroschadstoffe abzubauen und sich selbst zu desinfizieren. Die unsichtbaren Effekte im Kleinen verbessern unseren Alltag im Großen.

©Fraunhofer IWS


Anti-Icing – Tests im Windkanal

Interview mit Elmar Bonaccurso und Vittorio Vercillo, Materialwissenschaftler bei Airbus, sowie mit Tim Kunze und Sabri Alamri, Wissenschaftler am Fraunhofer IWS.

©Fraunhofer IWS


Flugzeugoberflächen schnell und umweltschonend enteisen

Mit Direct Laser Interference Patterning (DLIP) lassen sich komplexe, mäanderförmige Oberflächenstrukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich generieren, die das Anhaften von Eis verhindern oder stark reduzieren.

Dresdner Technologieportal

Neben diesen Projekthighlights – besuchen Sie auch das Technologieportal von DRESDEN-concept.